GB/T 44839-2024 相关标准英文版PDF

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GB/T 44839-2024	英文版	244	GB/T 44839-2024	[PDF]天数 <=3	微机电系统（MEMS）技术 MEMS材料微柱压缩试验方法	GB/T 44839-2024	有效

基本信息
标准编号	GB/T 44839-2024 (GB/T44839-2024)
中文名称	微机电系统（MEMS）技术 MEMS材料微柱压缩试验方法
英文名称	Micro-electromechanical systems(MEMS) technology - Micro-pillar compression test for MEMS materials
行业	国家标准 (推荐)
中标分类	L59
国际标准分类	31.080.99
字数估计	12,179
发布日期	2024-10-26
实施日期	2025-02-01
发布机构	国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会

GB/T 44839-2024 Micro-electromechanical systems(MEMS) technology - Micro-pillar compression test for MEMS materials 微机电系统（MEMS）技术 MEMS 材料微柱压缩试验方法 Micro-electromechanical systems （MEMS） technology- Micro-pillar compression test for MEMS materials （IEC 62047-10: 2011, Semiconductor devices-Micro-electromechanical ICS 31.080.99 CCS L 59 中华人民共和国国家标准 2024-10-26发布 2025-02-01实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会发布目次前言 ··· Ⅲ 1 范围 ···· 1 2 规范性引用文件 ···· 1 3 术语和定义 ···· 1 4 符号和名称 ···· 1 5 试件 ···· 2 5.1 总体要求 ···· 2 5.2 试件形状 ···· 2 5.3 尺寸测量 ···· 3 6 试验方法和测试仪器 ···· 3 6.1 测试原理 ···· 3 6.2 试验仪器 ···· 4 6.3 测试步骤 ···· 4 6.4 试验环境 ···· 5 7 测试报告 ··· 5 附录 A （资料性）利用有限元法进行误差估计 ···· 6 A.1 误差来源 ···· 6 A.2 有限元模型 ···· 6 A.3 分析结果 ···· 6 参考文献 ···· 7 前言本文件按照 GB/T 1.1-2020《标准化工作导则　第 1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件等同采用 IEC 62047﹘10:2011《半导体器件　微机电器件　第 10部分：MEMS材料微柱压缩试验方法》。本文件增加了“术语和定义”一章。本文件做了下列最小限度的编辑性改动：为与现有标准协调，将标准名称改为《微机电系统（MEMS）技术　MEMS材料微柱压缩试验方法》； jj 纳入了IEC 62047﹘10:2011/COR1:2012的勘误内容，所涉及的条款的外侧页边空白位置用垂直双线（）进行了标示； 5.2增加了注；- 更正了6.3c）应变速率数值，根据参考文献，数值更正为“5×10-3/min”。- 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国微机电技术标准化技术委员会（SAC/TC 336）提出并归口。本文件起草单位：中国科学院微电子研究所、中机生产力促进中心有限公司、苏州容启传感器科技有限公司、武汉大学、北京大学、上海交通大学、昆山昆博智能感知产业技术研究院有限公司、苏州晶方半导体科技股份有限公司、东南大学、苏州慧闻纳米科技有限公司、中关村光电产业协会、中国电子产品可靠性与环境试验研究所、昆山双桥传感器测控技术有限公司、芯联集成电路制造股份有限公司、深圳市道格特科技有限公司。本文件主要起草人：周维虎、李根梓、孙宏霖、刘胜、霍树春、高成臣、刘景全、陈立国、杨剑宏、陈志文、焦斌斌、黄庆安、聂萌、张平平、陈晓梅、卢永红、陈思、王冰、谢红梅、刘志广。微机电系统（MEMS）技术 MEMS 材料微柱压缩试验方法 1　范围本文件描述了微柱压缩试验方法，用于MEMS材料压缩特性的高精度、高重复性测量，且试样制造难度适中；测量试样单向压缩应力﹘应变的关系，得到试样压缩弹性模量和屈服强度。试样是通过微加工技术在刚性（或高刚度）基体上制造的圆柱，其高径比（高度与直径的比值）大于 3为宜。本文件适用于金属、陶瓷、高分子等材料制备的高度小于 100 μm微柱的测试。 2　规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 IEC 62047﹘8　半导体器件　微机电器件　第 8 部分：薄膜拉伸性能测量用带材弯曲试验方法（Semiconductor devices-Micro﹘electromechanical devices-Part 8: Strip bending test method for tensile property measurement of thin films） 3　术语和定义本文件没有需要界定的术语和定义。 4　符号和名称为了阐述本文件，试件的形状和符号分别在图 1 和表 1 中给出。本文件中的试件通常称为柱状试样。标引序号说明： 1 ─圆柱：试件是用微加工技术在基体上加工的圆柱； 2 ─基体：支撑试件的材料具有刚性（或高刚度），其刚性远高于圆柱试件刚度； D─试件直径； H─试件高度。图 1　圆柱形状示意图（符号见表 1）表 1　试件的符号和名称符号单位名称 H μm 试件高度 D μm 试件直径 5　试件 5.1　总体要求试件的制备应采用与实际器件制备相同的制备工艺。为减小试件尺寸因素的影响，试件的结构和尺寸宜与器件部件的结构和尺寸相似。 5.2　试件形状本文件规定了圆柱形微柱的压缩特性测试方法。采用微加工工艺在基片上制备微柱。微柱的形状和垂直度宜采用电子或光学显微镜检查。微柱底表面的边界条件通常被认为是固定边界，不同于宏观块体尺度上的圆柱（圆柱上下表面通常被认为是无摩擦边界）。试验过程中难以直接测量微柱的压应变，通过刚性压头的位移，按照公式（2）计算压应变值。这会导致应变误差以及后续的弹性模量误差和屈服强度误差，见附录 A。这种方法的精度取决于压头与顶面之间的摩擦系数，以及微柱的高径比。在不发生膨胀的情况下，大高径比的微柱试样是减小应变估计误差的理想选择。高径比的上限与边界条件和微柱的材料性质有关。建议最大高径比不超过 10（见参考文献 [4]）。当高径比大于 10的微柱在试验后未出现膨胀时，宜认为试验数据为有效。微柱截面直径的最大变化宜小于公称直径的 1%。否则，宜测量其实际横截面积。注：对块体尺度上的圆柱涂敷润滑层（见参考文献 [4]）能降低其顶面摩擦系数，但对微柱涂敷润滑层很困难。 5.3　尺寸测量需要准确测量试件尺寸，因为尺寸信息用于计算被试材料的力学特性。微柱的直径和高度宜具有高测量精度，误差小于±1%。干涉法或聚焦离子束切片法能用于精确测量高度值。试件在纵向不同位置的截面可能存在差异，且其截面直径或顶面直径可能与底面直径不同。该尺寸误差宜小于±1%。当上述条件不满足时，宜采用显微技术测量试件的形状，且宜采用有限元分析方法对试验结果进行分析。 6　试验方法和测试仪器 6.1　测试原理 MEMS材料应力和应变分别由公式（1）和公式（2）计算得出： = 4P D2 （1） = （2）式中： σ ─应力，由施加的力除以试样的横截面积定义得出； d ─试验过程中压头的纵向位移； ε ─应变，由位移除以试件高度定义得出。微柱压缩试验示意图见图 2。标引序号说明： 1─压头：一种具有大半径圆盘形状的工具，用于减小工具与部分微柱错位造成的对准偏差（使用金刚石压头为宜）； 2─柱：微柱阵列试样的一部分，采用微加工工艺在基体上制备而成； P─规定的压缩力； d─施加规定的压力引起的纵向柱位移。图 2　微柱压缩试验示意图 6.2　试验仪器根据微柱的尺寸和材料，需要仔细选择力传感器和位移传感器，其分辨率宜分别小于最大力和位移的 1/1 000。执行机构（作动器）宜在加载方向上做线性运动，在其他方向上不做任何寄生运动，其位移分辨率要求小于位移传感器分辨率的 1/10。执行机构（作动器）的理想选择是压电或音圈制动器，线性可变差动变压器（LVDT）、电容或光学传感器能够用于这种类型的测试。测试机框架的刚度宜远远大于试样的刚度。宜对测试机的变形进行检查和/或补偿，在 IEC 62047﹘8中有对测试机进行补偿的实例。压头是检测仪器中的重要组成部分。这类测试中广泛采用平压头，采用大半径球形压头能减少因压头与试样的错位导致的误差。压头表面的粗糙度宜优于试样表面的粗糙度。平压头的平整度和平行度宜优于 0.000 2 m/m（见参考文献 [4]）。球形压头的半径宜大于试件直径的 100倍。 6.3　测试步骤测试步骤如下。在基板上采用批量制造工艺制造出大量的微柱，将基板安装在测试仪器的平台上。注意，要尽量减小柱轴向与压头加载方向之间的偏差角，偏差宜小于 0.000 2 m/m（见参考文献[4]）。然后对单根微柱进行机械测试。 a）确定测试件的位置。用光学相机模块观察试样的位置，定位误差宜小于试件直径的1/10。b）压头以恒定速度在微柱顶表面施加压缩位移，恒定速度会引起恒定的应变速率。对于速率不敏c）感材料，应变速率宜为5×10-3/min（见参考文献[4]）。对于速率敏感的材料，宜研究应变速率的影响。需要根据材料和测试目的适当选择最大应变。对于应力﹘应变曲线的测量，宜选择最大应变范围以考虑试样的塑性行为。韧性材料的最大应变范围宜小于 0.04 m/m，脆性材料的最大应变范围宜小于 0.01 m/m。将压头保持一段时间后，以与加载速度相同的速度收回压头。对于速率不敏感材料，保持时间宜为 60 s。弹性模量由应力﹘应变数据中的卸载曲线斜率确定。 d）如有必要，按照规定的应变增量重复执行b）和d）若干次，以研究试样的模量变化。e）用公式（1）和公式（2）将测得的荷载和位移转换为应力和应变。按d）中描述的方法确定弹性模量和屈服强度。 f） 6.4　试验环境宜在恒温恒湿条件下进行测试。温度变化会引起高灵敏的力传感器和位移传感器的热漂移，宜小于 2 ℃。通常需要在试验前后检查温度变化或热漂移。试验过程中相对湿度变化宜小于 2%。 7　测试报告测试报告至少应包含以下信息: 本文件编号；a）试件识别号；b）试件的制造流程；c）试件材料；d）试件尺寸及其测量方法；e）测试设备说明；f）测得材料特性及结果：弹性模量、屈服强度及应力﹘应变曲线。g）附　录　A （资料性）利用有限元法进行误差估计 A.1　误差来源测试结果可能受以下因素影响：力传感器和位移传感器的热漂移；- 对准误差；- 柱的几何形状；- 摩擦接触。- A.2　有限元模型有限元分析的单元是二维的、轴对称的和二阶缩减积分的单元。采用基于 SU﹘8应力应变实测曲线的各向同性弹性和塑性增量规律作为本构关系，SU﹘8为光刻胶用热固性聚合物。整个仿真采用了选定几何非线性选项的隐式求解器。柱底表面施加固定边界条件，柱顶表面考虑与压头的摩擦接触。根据收敛试验的仿真结果，选择合适的有限元网格，得到精度优于 0.1%的数值解。 A.3　分析结果有限元分析仿真生成了刚性压头的位移和相应的力。根据 6.1中的公式（1）和公式（2）将位移和力转换为应变和应力，根据应力﹘应变数据估计弹性模量。估计的模量与有限元分析中使用的模量略有不同（见图 A.1）。当柱的高径比为 4时，其弹性模量误差约为 1%。误差随摩擦系数的减小而减小。图 A.1　弹性模量测量中的高径比和摩擦系数的误差估计图参　考　文　献 [1]　UCHIC, MICHAEL D, DIMIDUK, et al.Sample dimensions influence strength and crystal plasticity[J].Science, 2004, 305（5686）: 986﹘989. [2]　GREER J R, NIX W D.Size dependence of mechanical properties of gold at the submicron scal......

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